книги из ГПНТБ / Пакулов, Н. И. Мажоритарный принцип построения надежных узлов и устройств ЦВМ

То среднее значение входного сопротивления RBX ср~ (В-И)7?к1, где В — среднее значение коэффициента передачи тока в схеме с об­ щим эмиттером (для рассматриваемого диапазона входных напря­ жений).

Входное сопротивление элемента (см. рис. !1.1) относительно логических входов представляет собой сумму эквивалентного сопро­ тивления резистивного делителя и входного сопротивления элемента со стороны базы 77.

Теперь получим выходную характеристику. Выход­ ная характеристика элемента — это зависимость выход­ ного тока (пых от выходного напряжения нВЫх.

Для схемы, приведенной на рис. 1.3, пользуясь выра­ жениями Молла — Эберса, получим

Здесь ык—«бэ—«вых=А«ба — отклонение напряжения на эмиттерном переходе транзистора эмиттерного повтори­ теля от среднего значения. Придав ик одно из значений, соответствующих нижнему (Иб1и) или верхнему («61 в) значениям напряжения Мб1 и подставив значения всех входящих в соотношение (1.26) величин, получим вы­ ражение конкретной выходной характеристики.

На рис. 1.7 представлены экспериментальные и рас­ четные выходные характеристики рассматриваемого эле­ мента на кремниевых транзисторах.

Продифференцировав (1.26), .получим выражение для выходного сопротивления МЭ

Соотношения (1.25) и (1.28) позволяют оценить коэф­ фициент разветвления элементов по выходу для медлен­ но меняющихся сигналов или для статического режима (статический коэффициент разветвления т). Из этих со­ отношений находим

20

где, как и раньше, В —-среднее значение коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Статический коэффициент разветвления элемента, схема которого приведена на рис. 1.1, будет не менее определенного из соотношения (1.29), так как входное сопротивление этого элемента больше, чем Гвх> НЗ. В6ЛИчину, эквивалентную сопротивлению делителя. Анализ выражения (1.29) показывает, что статический коэффи-

Рис. 1.7. Выходные характеристики мажоритарного элемента.

циент разветвления элемента может составлять десятки и даже сотни. Поэтому на практике в логических элемен­ тах подобного типа коэффициент разветвления по выхо­ ду (нагрузочную способность) необходимо определять исходя из заданных характеристик переходных процес­ сов.

Область переключения

При исследовании возможностей потенциального со­ гласования элементов необходимо особое внимание уде­ лить рассмотрению влияния параметров на положение области переключения. Ширина области переключения (1.9) зависит лишь от температуры и типа транзистора. Одиако при неизменной ширине области переключения на положение ее центра 0’Ки=бщ или % = ы п) влияет

21

ряд параметров, особенно неравенство падений напря­ жений на переходах эмиттер — база транзисторов токо­ вого переключателя, так как оно непосредственно сказы­ вается на показателях экспоненциальных функций ха­ рактеристик передачи. Кроме того, на положение центра влияют все параметры, определяющие симметрию плеч элемента.

Непосредственное исследование влияния разброса параметров, входящих в выражения (1.12) — (1.15), вви­ ду сложности выражений целесообразно проводить лишь

Рис. 1.8. Зависимости коллекторных токов транзисторов от напря­ жения «бэ на эмиттерном переходе при постоя/нпом напряжении икз между коллектором и эмиттером транзистора (а). Часть принци­ пиальной схемы переключателя тока на транзисторах 77 и Г2, пояс­ няющая принятые обозначения (б).

с помощью ЦВМ. При ручном счете целесообразно опре­ делить только положение центра области переключения. Для этого в выражения характеристики передачи введем

1.9. На рис. 1.8 представлены зависимости коллекторных токов /к от напряжения »бэ Для двух образцов кремние­ вых транзисторов. Транзисторы выбраны такие, что вольтамперные характеристики /K= f(Ибо) при «K6= const значительно отличаются. На рис. 1.9 показано влияние разностного напряжения

22

определяемого при }Ki= } K2, «а положение центра облас­ ти переключения. Графики характеристик передачи по­ лучены экспериментально при различных вариантах включения образцов № 5 и № 7 (нумерация условная) транзисторов вместо 77 и Т2. Порядок включения этих образцов указан на рис. 1.9: 77 (№ 5) или Т2 (№ 7). Эти надписи означают, что вместо транзистора Т1 МЭ (см. рис. 1.3) включен образец под условным номером 5, а вместо транзистора Т2 — образец под условным номе­ ром 7.

Рис. 1.9. Характеристики передачи переключателя тока по току, поясняющие влияние разностного напряжения мр „ на положение центра области переключения.

Из рис. 1.9 следует, что коллекторные токи 77 и Т2 достигают равенства не при «б1= «оп, а при ив\ = и0п+ + lipя. Следовательно, центр области переключения сме­

чим выражение для определения центра области пере­ ключения в следующем виде:

Ыб1=Ыоп+«рн—&фт In[(щ—с)1(а2—с)], (1.33) где ai=«i7?Ki; «2= 02^ 2;

С — (Ыб04— «Сэз) 7?о/ (Д э “Ь «оп— «бэ) •

23

Здесь «биз и «g;>4— напряжения на эмиттерных переходах эмиттерных повторителей, Ыбэ — среднее значение напря­ жения на эмиттерном переходе открытого транзистора переключателя тока.

области переключения определяется в основном знаком и величиной «рн, определяемой по формуле (1.30), а от соотношения других параметров зависит слабо (логариф­ мически). Введение параметра ырн позволяет расширить представление о поведении транзисторного переключате­ ля тока и значительно упростить расчеты, причем допол­ нительной информации практически не требуется. Это очевидно, если учесть, что напряжения «бэ транзисторов известны. В случае же необходимости произвести стати­

Введя параметр ирн можно получить полное пред­ ставление о разбросе характеристик передачи, определив их разброс вне области переключения и разброс центра области переключения.

Потенциальное согласование мажоритарных элементов

При построении сложных цифровых устройств необ­ ходимо, чтобы размах характеристик передачи элемен­ тов был достаточным для управления идентичными эле­ ментами и чтобы обеспечивалось совпадение верхних и нижних уровней выходных и входных напряжений. Для рассматриваемых элементов, кроме того, необходимо предъявить дополнительное требование об исключении режима насыщения транзисторов, вытекающее из (1.20), т. е. ограничить максимальные значения входных и вы­ ходных напряжений. Размах характеристик передачи вы­ бирается исходя из условий обеспечения надежного пе­ реключения управляемых элементов (ограничение снизу) и получения максимального быстродействия при мини­ мальной мощности (ограничение сверху). Размах напря­ жения «61 должен превосходить ширину области пере-

24

ключенйя с запасом на уход центра области переключе­ ния (не обязательно, чтобы этот размах превосходил удвоенное значение напряжения «бэ). Для управления элементом на кремниевых полупроводниковых приборах достаточен размах Мбь равный «бэ (0,7 ... 0,8 В), мини­ мальный же размах должен превосходить лишь ширину области переключения 150 ... 230 мВ.

Для того чтобы сформулировать требования к уров­ ням напряжений на входе, выходе и иа базе 77, рассмо­ трим симметричную схему МЭ (см. рис. 1.3) при усло­ вии включения в эмиттериую цепь транзисторов пере­ ключателя тока идеального генератора тока i = Iо. Вели­ чины напряжений, соответствующие верхнему уровню,

Щ\ н»

С учетом принятых допущений размахи выходных напряжений равны, т. е. iaRKih='asRK%h- И, кроме того,

Мб1 н —Чп и—Чцн Ек—Мбэ—о/oRи

(1.34)

Мб1 п —Мд в —Ми ] :Ец Мбэ.

Среднее значение напряжений

Ч&\ ср — Uji ср= tin ср = Ноп = Ек— Ибэ— a.IoRn/2.

Отсюда видно, что при Ек= 0, что на практике часто встречается,

Моп==— (Мбэ+а/о^к/2). (1.34а)

Уровни напряжений на коллекторах 77 и Т2 находим из физических соображений:

Для предотвращения насыщения 77 необходимо ограни­ чить Мб1в-С учетом соотношений (1.16) и (1.21) при сде­ ланных допущениях находим

Если величину Мбкгр принять в качестве запаса для предотвращения введения транзистора в режим насыще­

25

С учетом ранее полученных выражений определим

При выполнении условия (1.38) из (1.32) и (1.35) нахо­ дим максимальный размах выходных напряжений и на­ пряжения «6i:

Itn макс — tin макс — Wgi макс — o I oR k — — Ишаке- ( 1 .4 3 )

Это означает, что размах напряжений не может заметно отличаться от напряжения смещения эмиттерного пере­ хода транзисторов.

Учитывая соотношения (1.43) и (1.33), определяем требования к напряжению источника коллекторного пи­ тания и иоп. Так как

Выполнение условия (1.43) означает, что размах вход­ ных и выходных напряжений должен быть равен вели­ чине смещения коллекторных уровней напряжений до нужных выходных уровней. Увеличить же напряжение смещения коллекторных уровней можно различными способами, например, включить в эмиттерные цепи тран­ зисторов эмиттерных повторителей диоды или стабили­ троны, или р—«-переходы транзисторов в прямом направлении, или каждый эмиттерный повторитель вы­ полнить на двух транзисторах. Это позволит удвоить ве­ личину смещения уровней напряжений,

26

Влияние резистивного делителя на условий потенциального согласования

Резистивный делитель R1—R4 образует мажоритарный вход эле­ мента (рис. 1.1). Напряжения на входах делителя принимают два значения: низкое («вх н) и высокое (нВх в). С помощью различных сочетаний входных напряжений при правильном выборе величин со­ противлений делителя можно обеспечить выполнение мажоритарной логики. Так как все входы мажоритарного элемента равноценны, то выбирают

Если число входов, на которые поступают высокие значения входных напряжений (ивх в) элемента, составляют меньшинство, то значение Hoi не должно входить в область переключения, т. е. «ei должно быть меньше «0и—Amdi/2. Если же на большем числе входов эле­ мента напряжения имеют высокие уровни, то «61 должно быть боль­ ше Uon+A«6i/2. Запас, с которым удовлетворяются эти требования, будет характеризовать помехоустойчивость элемента.

При наличии трех входов напряжение «ei должно принимать

Из соотношений (1.54) — (1-57) видны однозначные требования к расположению на оси напряжений «gi ха­ рактеристик передачи (рис. 1.10) для четырех значений:

Мбю, МбИ, Мб12 И «613-

27

Из этих соотношений видно, что входные напряжения должны быть смещены относительно uei, причем смеще­ ние для различных уровней различно. С увеличением R4 пределы изменения входных напряжений стремятся к пределам изменения «61.

Рис. 1.10. Вид характеристик передачи по напряжению. Точками показаны значения напряжения «oi при различных сочетаниях уров­ ней входных напряжений.

Так как размах выходного напряжения незначитель­ ный (1.43), а положение точек «бп и «012 близко к обла­ сти переключения (рис. 1.10), то представляется целе­ сообразным для увеличения помехоустойчивости исклю­ чить R4 из схемы \R4 = 00), при этом получим схему, приведенную на рис. 1.11. На этом рисунке обозначения согласуются с рис. 1.3, но резисторы на входе элемента обозначены одним символом, что указывает на равен­ ство -их сопротивлений. Эта схема имеет очевидные пре­ имущества перед схемой, представленной на рис. 1.3. Во-первых, здесь меньше входной ток, т. е. больше ко­ эффициент разветвления по выходу, что обусловлено от­ сутствием во входных цепях составляющих токов через общий резистор. Эту особенность можно использовать и для улучшения переходных характеристик элементов за счет уменьшения R. Во-вторых, различие между ывх и «61 меньше, что облегчает управление элементом и улуч­ шает возможности потенциального согласования. Поэто­ му в дальнейшем основное внимание уделяется элементу

28

ПТРЛ без общего резистора. Учет этого резистора не вызывает затруднений и при необходимости может быть осуществлен читателем самостоятельно.

принимают верхние значения, т. е. при значениях Мбь равных Мб12 или Mr,1з (для трехвходового элемента). На рис. 1.6 напряжение М612 принято равным 0,2 В, а иш — равным 0,6 В, при этом ток базы itn («012) = 128 мкА,

Рис. 1.11. Принципиальная схема МЭ типа ПТРЛ без общего рези­ стора во входной'цепи.

a lei(«б1з) = 133 мкА, что соответствует разнице токов всего на 4%. Поэтому во всем диапазоне напряжений Нб1 от Мб12 до Мб13 можно пользоваться средним значени­ ем тока /б, при этом ошибка в определении входного тока не превышает единиц процентов.

ГДе Мб1 макс — ^бэ-

29